方波-三角波-正弦波函数发生器的设计.doc

湖南工程学院

电工电子大型实验报告

电气与信息工程系

湖南工程学院
大 型 实 验 任 务 书

课程名称 电工电子学
综合实验设计题目1 BJT管射极跟随器的设计
综合实验设计题目2 方波-三角波-正弦波函数发生器的设计

专业班级
学生姓名
指导老师
审 批

任务书下达日期 2011 年1 月 4 日
设 计 完成日期 2011 年 1 月 13 日

设计内容与设计要求
一、设计内容
课题1、BJT管射极跟随器的设计
(1)已知条件：VCC=+12V，RL=2.2KΩ，Vi=100mV，BJT管一只
(2)性能指标要求：AV≈1，Ri>10KΩ，RO<100Ω，fL<50Hz，fH>500KHz

课题2、 方波-三角波-正弦波函数发生器的设计
(1)已知条件：集成运放324一片，BJT管若干只
(2)性能指标要求：频率范围：10Hz~1KHz；输出电压：方波VPP<24V，三角波VPP>3V，正弦波VPP>1V；

二．设计要求
1. 设计思路清晰，画出电路图；
2. 给出具体设计思路，设计各单元电路、电路器件；
3. 总电路设计
4. 进行实验调试，验证设计结果；
5. 编写设计说明书；
主要设计条件
一、 提供实验箱一台；
二、 提供信号源一台；
三、 提供示波器一台
四、 必要的元器件和导线等。
1. 自备计算机或自己安排时间上机仿真。

目录
综合实验设计一 BJT管射极跟随器的设计
一、 设计总体思路 ************************************** 4
二、 基本原理、电路图 *********** 4
三、 单元电路设计、EWB仿真及参数计算 ******************* 5
四、 实验调试 ****************************************** 6
综合实验设计二 方波-三角波-正弦波函数发生器的设计
一、 设计总体思路 ************************************ 7
二、基本原理、电路图 ********************************** 7
三、单元电路设计、参数计算及EWB仿真 ** 9
四、实验调试 ****************************************** 13
总结与体会 ******************************************* 14

附录 ************************************************** 15
参考文献 ********************************************** 15

综合实验设计一 BJT管射极跟随器的设计

一、 设计总体思路
将输入信号通过一晶体管后，信号得到放大，从晶体管的发射极输出信号，得到一与原信号振幅相近的信号，从而达到跟随器的作用。射极跟随器具有它具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等优点，在日常生产生活中有极其广泛的应用。
本设计采用分压式射极跟随器，具有稳压的优点，有利于实验的测量及观测。

二、 基本原理、电路图
射极跟随器的原理图如图1－1所示。它是一个电压串联负反馈放大电路，它具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等特点。

图1－1 射极跟随器
1、输入电阻Ri
如考虑偏置电阻RB和负载RL的影响，则
Ri＝RB∥[rbe＋(1＋β)(RE∥RL)]
由上式可知射极跟随器的输入电阻Ri比共射极单管放大器的输入电阻Ri＝RB∥rbe要高得多，但由于偏置电阻RB的分流作用，输入电阻难以进一步提高。

即只要测得A、B两点的对地电位即可计算出Ri。
　　2、输出电阻RO

由上式可知射极跟随器的输出电阻R0比共射极单管放大器的输出电阻RO≈RC低得多。三极管的β愈高，输出电阻愈小。
输出电阻RO的测试方法亦同单管放大器，即先测出空载输出电压UO，再测接入负载RL后的输出电压UL，根据

即可求出 RO

3、电压放大倍数

上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近于1，且为正值。 这是深度电压负反馈的结果。但它的射极电流仍比基流大(1＋β)倍， 所以它具有一定的电流和功率放大作用。

三、 单元电路设计、EWB仿真及参数计算
由于本实验较为简单，可直接将电路设计为一个整体，电路设计如下图所示：

对该电路进行仿真，得到示波器的显示如下图：

对该电路进行计算可得：
Ri=R2//R3//[rbe+(1+B)RL’]
Ro=R5//[（R2//R3）+rbe]/(1+B)
Au=(1+B)RL’/[rbe+(1+B)RL’]

四、 实验调试
按照电路图1-1，将电路连接好后，检查线路。确认无误后打开电源，进行测量。
一、信号输入Vi=1.00V，测量得到的输出电压Vo=0.99V，所以电压放大倍数Au=0.99/1.00=99.0%
二、将R1换为阻值为10k欧姆的电阻，测量得到此时的Vi=0.6V，Vs=1.11V，所以输入电阻Ri=Vi*RL/（Vs-Vi）=0.6*10000/（1.11-0.6）=12000欧姆。
三、类似于二，测得输出电阻Ro=7.56欧姆。
四、通过测量，得到下限频率fl=10.2Hz，上限频率fh=514Hz。

综合实验设计二 方波-三角波-正弦波函数发生器的设计

一、 设计总体思路
本实验通过RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。通过RC正弦波振荡电路，具有良好的正弦波，正弦波通过电压比较器产生稳定的方波信号，方波信号经过积分器产生三角波，该电路可调正弦波的幅值，方波的频率等。电路简单有效，精度较高，性价比高，易于制造，能应用于各种波形仿真、实验应用等。总设计图如图2-1所示。
性能指标要求：
频率范围：10Hz~1KHz；输出电压：方波VPP<24V，三角波VPP>3V，正弦波VPP>1V；

图2-1
二、基本原理、电路图
RC正弦波振荡电路：确定选频网络是串联还是并联，用滑动变阻器代替电阻，以起到选频的效果，反馈部分用两个并联的二极管，起到稳幅的作用，再加滑动变阻器，用以改变正弦波的幅度；
电压比较器：正弦波经过电压比较器变成方波，要改变方波的占空比就得改变其门限电压，通过外加受滑动变阻器调节的电源来实现可调门限电压；
积分器：方波经过积分器后即可得到三角波。
图2-2
产生正弦振荡的条件:
正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路个部分。
1、正弦波振荡电路的构成
正弦波振荡器的电路如图所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了Rf和R1负反馈网络。

、RC串并联网络与Rf和R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。
为满足振荡的幅度条件 ，所以Af≥3。加入Rf和R1支路，构成串联电压负反馈。

正弦波振荡电路的稳幅过程
正弦波振荡电路的稳幅作用是靠非线性元件，如热敏电阻实现的。上图R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在Rf的位置。
采用反并联二极管的稳幅电路，电路的电压增益为

式中R”p是电位器上半部的电阻值，R’p是电位器下半部的电阻值。R’3= R3 // RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出，二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。
频率可调的正弦波振荡电路
调整方法：在RC串、并联网络中，用双层波段开关接不同电容，实现振荡频率的fo粗调，用同轴电位器实现振荡频率的微调。
2、 方波转换成三角波电路的工作原理:

当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：

三、单元电路设计、参数计算及EWB仿真
1、正弦波发生电路的设计
本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，其电路图如下所示：

正弦振荡电路

此时输出电压系数为 Au=1+(Rf+rd)/R1
RC振荡的频率为：f0=1/(2∏RC)
该电路中R=10K C=0.1uF f0=1/(2*3.14*10000*10-7)≈159.2Hz
对该电路进行EWB仿真，得到示波器的显示如下图：

2、正弦波转换方波电路的设计
本电路中将正弦波转成方波，其电路原理如下图所示：

正弦波转成方波
本电路中用到的稳压管，电路中阈值电压为：

UT1=UREF-UZ

UT2=UREF+UZ
本电路中UREF=0，所以
UT1=-UZ

UT2=UZ
对该电路进行EWB仿真，得到示波器的显示如下图：

3、方波转换成三角波电路的设计
本电路中方波转成三角波采用积分电路，其电路原理如下图所示

积分电路图
积分电路分工为：
U0=-+u0(t1)

对该电路进行EWB仿真，得到示波器的显示如下图：

四、实验调试

总电路图如下所示

该电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波；第二部分为电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成三角波；
在正弦波产生电路中f=1/(2∏RC),改变RC的值可以改变电路的信号频率，在电压比较器中，改变参考电压UREF的值可以改变方波的比例。
经试验测量得：Vo1=9.5V,Vo2=9.1V,Vo3=2V,f1=f2=f3=1.53KHZ

总结与体会：

本次设计中采用电路模块化理念，将本来非常复杂的电路分解成简单的单元电路，然后设计单元电路，单元电路设计起来就简单多了。最后将每个单元电路连接起来便成了一个复杂的，具有特定功能的电路。这种设计电路的思想在设计大型电路时尤为突出。
通过本次设计实验，我巩固并复习了模拟电子技术的知识与应用，加深了对该课程的理解与认识。本次设计实验使我充分体会到了学习知识应该循序渐进，一步一个脚印，踏踏实实地学，要勤于思考，善于发现问题并能有效地、富有创造性地解决问题。在实验过程中要积极动手，仔细观察，规范实验操作，要有耐心、细心。通过本次实验，我发现了自己的不足之处，实验过程中不够仔细，一些简单的错误也会发生，缺乏耐心，过于急躁。在今后的学习生活中，我将努力改正自己的缺点，发扬自己的优点。本次设计在温故而知新的同时，也使我进一步了解了我自己，对我今后的学习、生活、工作都奠定了基础，我将努力把这种实验精神用于今后的学习工作中，努力提高自己的各方面素质，成为祖国的栋梁之才，为祖国的现代化事业做出自己微薄的贡献。
本次设计中遇到了不少困难，但在老师同学的帮助下、在自己的努力下，还是将问题解决了！个人感觉收获最大的就是学会了设计电路的这种方法和分析问题解决问题的思想！

附录
设计所用仪器及器件
1．直流稳压电源 1台
2．双踪示波器 1台
3．万 用 表 1只
4．运 放324 2片
5．电位器100K 1个
6．电 容10μF 2个
0.1μF 3个
7．三极管 2个
8．面　包　板 1块
9． 镊 子　　　　　 １把
10．仪器探头线 2根
11．电 源 线 4根
12．电 阻 若干个

参考文献
《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 康华光编
《电子技术课程设计指导》 彭介华编
《电子技术基础实验》（第二版） 华中理工大学电子学教研室 陈大钦编
《电子线路设计、实验、测试》（第二版） 华中理工大学出版社 谢自美 主编

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